CN107975385A - 一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系及其构建方法，该微生物自修复体系根据细菌孢子的种类选取底物，细菌孢子干粉在水中分散均匀，将底物加入到分散均匀的混合液中搅拌均匀使其成团，团状混合物加入到多功能造粒机中挤出，打开冷却系统，将挤出的条形物加入到滚圆机中滚圆，筛分，烘干得到粒径单一的微粒；将微粒和壁材采用真空浸渍法或界面聚合法制备微生物自愈合胶囊；将微生物自愈合胶囊需要与巷道锚固喷浆主体材料混合使用。使用该微生物自修复体系材料，一旦混凝土出现裂缝，材料内部的芽孢便被激活，进行正常的新陈代谢，不断诱导碳酸钙沉淀，实现裂缝的自修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿锚固喷浆材料，尤其涉及一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系及其构建方法。
背景技术
煤矿井下巷道是采煤和运煤的必经之道，为保障巷道通畅和采煤工人的安全生产，必须对巷道进行支护，一般采用的是水泥砂浆或者混凝土对巷道岩石表面进行喷浆，水泥砂浆固化后，起到防止岩石塌落、地下水渗入巷道以及瓦斯泄漏的作用。然而，喷浆材料固化后，由于配料单一，成分中刚性组分居多，材料刚性脆性大，柔性不足，随着井下巷道的地质运动或者再次开采中的放炮等震动，极易造成喷浆材料的开裂脱落，继而造成矿井巷道内岩石掉落、局部塌方、巷道透水和瓦斯事故，给安全采煤和保障国民经济高速发展能源用煤带来极大的阻碍，成为国家亟需解决的重大事情。
对于巷道支护材料裂缝，当前主要的修复方法为事后修复或者定时修复，然而这种被动有计划的修复方式大多针对肉眼可见的裂缝，修复部位大多为材料易损处，并受修复材料施工技术等问题的限制，裂缝部位易产生二次开裂。另外，在实际的巷道支护材料中，其内部存在许多微裂纹，由于当前探测技术的局限性，检测并修复这些微裂纹仍存在较大的难度。因此，有必要研制出一种具有裂缝自诊断、自修复的巷道锚固材料系统，以满足当前煤矿巷道支护领域材料的特殊要求。
发明内容
本发明的目的是以上技术背景中煤矿巷道锚固材料的不足，一种充分利用微生物，构建兼具裂缝自诊断和自修复、绿色环保的巷道锚固材料。即在混凝土的搅拌过程中掺入耐碱菌体芽孢及其营养物质，一旦混凝土出现裂缝，材料内部的芽孢便被激活，进行正常的新陈代谢，不断诱导碳酸钙沉淀，实现裂缝的自修复。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系，其特点在于该微生物自修复体系包含微生物自愈合胶囊和锚固喷浆主体材料，其中微生物自愈合胶囊包含囊壁，囊壁中包裹着微生物孢子、底物，其中微生物自愈合胶囊的制备方法如下：
（1）根据细菌孢子的种类选取底物，每150g水中含2.5-3.5g细菌孢子干粉，使其在水中分散均匀，然后将底物加入到分散均匀的混合液中，按照细菌孢子与底物的质量比为1：100-120混合，搅拌均匀使其成团；
（2）将上述团状混合物加入到多功能造粒机中挤出，造粒机网孔板目数为30-45目，同时打开冷却系统，保持物料温度为2-5℃，将挤出的条形物加入到滚圆机中滚圆，最后再经过35-40目筛分，在2-5℃下烘干即可得到粒径单一的微粒；
（3）按照微粒：壁材的质量比为1:0.6-1.4的比例称取壁材；
（4）采用真空浸渍法或界面聚合法制备微生物自愈合胶囊。
以上所述微生物自愈合胶囊的囊壁厚为0.5-8μm，胶囊的外半径为3-110μm。
以上所述微生物孢子选自巴氏芽孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和硝化细菌中的一种或多种。
以上所述底物为肌苷、酵母粉、羟丙基甲基纤维素、微晶纤维素、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙或乙酸钙中的一种或几种。
以上步骤（4）中采用真空浸渍法制备时，壁材为多孔轻质骨料、海藻酸钠、硅凝胶、黏土颗粒、硅藻土、陶粒中的至少一种；采用界面聚合法制备时，壁材为环氧树脂、三聚氰胺-甲醛树脂，脲醛树脂、聚氨酯、聚乙烯醇和乙酸丁酸纤维素中的至少一种。
另外，以上所述的微生物自愈合胶囊需要与巷道锚固喷浆主体材料混合使用，微生物自愈合胶囊占锚固喷浆主体材料的5-8wt%，其中巷道锚固喷浆主体材料可为水泥类材料、粉煤灰泡沫材料、高分子喷涂材料中的至少一种。
与现有煤矿巷道锚固喷浆材料相比，本发明所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系具有如下突出优点：
（1）微生物自修复体系可以实现裂缝的自动检测、自动愈合；
（2）细菌可多次修复裂隙，愈合性能具有可持续性；
（3）细菌矿化形成的碳酸钙，与主体材料相匹配，绿色环保，无污染；
（4）胶囊在细菌外部包裹一种保护层，可以很好的保护细菌免受外界环境的影响，提高微生物的寿命；
（5）不用外加培养基，可以实现材料的智能修复；
（6）自修复发生时，只有裂缝影响到的少量微生物孢子被激活，其他微生物孢子仍处于休眠状态，使自修复系统长期有效，同时避免了大量死亡的微生物孢子对锚固喷浆主体材料强度的影响；
（7）本自修复系统由于微生物胶囊大量均匀的分布在锚固喷浆主体材料中，能实现大范围、均匀的修复。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例仅为实施例举例，本申请的保护范围绝不仅限于以下实施例范围。
实施例1：本实施例所采用的微生物孢子为巴氏芽孢八叠球菌孢子，所选壁材为环氧树脂、三聚氰胺-甲醛树脂，脲醛树脂、聚氨酯、聚乙烯醇和乙酸丁酸纤维素中的至少一种，所选巷道锚固喷浆主体材料水泥类材料。
称取肌苷4g、酵母粉20g、羟丙基甲基纤维素4g、微晶纤维素120g，混合均匀，同时取200g水并加入4g孢子干粉使其均匀分散，之后再将称取好的150g硝酸钙（底物的一种）溶解在分散有孢子的水中，然后将液体溶液加入到均匀混合的肌苷、酵母粉、羟丙基甲基纤维素、微晶纤维素中，并搅拌均匀使其成团，将团状混合物缓慢地加入到多功能造粒机中进行挤出，选自目数为35目的网孔板，同时打开冷却系统，保持物料温度为3-5℃，将挤出的条形物加入到滚圆机中进行滚圆，最后再经过筛分及进一步低温烘干即可得到粒径单一的微粒，按照微粒：壁材=1:1.25称取壁材，然后把微粒与壁材置于烧杯中混合均匀，并将该混合物置于50℃水浴锅中保温30min左右，再加入2.7g固化剂KH-792，使环氧树脂固化，并搅拌均匀，同样将其置于50℃水浴锅中进行预固化40min，而后将预固化好的混合物转移到含180-230g聚二甲基硅油的三口烧瓶中，以300rpm的转速搅拌，使混合物分散均匀，同时设定适宜的水浴温度为50℃并保持恒温，经过2h的固化反应，使壁材固化完全；最后将所得产物抽滤并洗涤干净表面的聚二甲基硅油，并在低于 50℃的低温干燥箱中烘干，即得到自愈合胶囊。
首先将微生物自修复胶囊倒入水中，搅拌直到胶囊均匀分散。然后将水倒入搅拌器中，加入所需水泥类材料，混合均匀后倒入模具，抹平，养护24h，然后脱模，在室温条件下养护28d，水泥材料制成40×40×160mm的长方体试样。
取3组养护28d的试样，每组3块，进行预压破坏，产生裂缝，水和空气由裂缝进入，然后将破坏的试样放置在湿度为95%，温度为20℃的养护室中，胶囊随着裂缝破裂释放出内部的细菌孢子，在适宜的环境下，孢子的活性被激发出来，产生碳酸钙沉淀。三块试样分别养护3d，7d和28d。对试样裂缝用SEM观察发现有方解石生成，而且养护时间越长，方解石晶体就越多。
实施例2：本实施例所采用的微生物孢子为巴氏芽孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和硝化细菌中的至少一种，所选壁材为多孔轻质骨料、海藻酸钠、硅凝胶、黏土颗粒、硅藻土、陶粒中的至少一种。
称取酵母粉1.5g，蛋白胨2.5g，去离子水500mL配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节pH值为9.0。经120℃高温灭菌30min冷却至室温后，接种枯草芽孢杆菌，同时加入20mL浓度为4mol/L的尿素溶液。在30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h。
陶粒过0.085mm筛并水洗，粒径范围为0.085mm-5.05mm，称取200g加入到250g上述细菌培养液中，使陶粒在振荡条件下浸泡8h，振荡频率为130r/min。
向上述陶粒和细菌混合培养液中加入200mL尿素钙源溶液。钙源选用乳酸钙。尿素钙源溶液中尿素浓度为0.5mol/L，乳酸钙浓度为0.5mol/L。振荡24h后取出陶粒，振荡频率为130r/min。
经处理后的陶粒在边电吹风加热边人工搅拌状态下干燥至恒重，干燥过程中滴入固含质量分数为30%的聚羧酸系高效减水剂，每1000g骨料掺量为2.5-5.5mL。
将本实施例得到的微生物处理后的陶粒按照按照胶砂比1:5、水胶比0.97制成40×40×160mm的长方体砂浆试件，养护24h，然后脱模，在室温条件下养护28d。
取3组养护28d的试样，每组3块，进行预压破坏，产生裂缝，水和空气由裂缝进入，然后将破坏的试样放置在湿度为95%，温度为20℃的养护室中，多孔轻质骨料中的细菌在适宜的环境下，其活性被激发出来，产生碳酸钙沉淀。三块试样分别养护3d，7d和28d。对试样裂缝用SEM观察发现有方解石生成，而且养护时间越长，方解石晶体就越多。
Claims (10)
1.一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系，其特征在于：该微生物自修复体系包含微生物自愈合胶囊和锚固喷浆主体材料，其中微生物自愈合胶囊包含囊壁，囊壁中包裹着微生物孢子、底物。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系，其特征在于：所述微生物自愈合胶囊的囊壁厚为0.5-8μm，胶囊的外半径为3-110μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系，其特征在于：所述微生物自愈合胶囊的囊壁材料选自环氧树脂、多孔轻质骨料、海藻酸钠、硅凝胶、黏土颗粒、硅藻土、陶粒、三聚氰胺-甲醛树脂，脲醛树脂、聚氨酯、聚乙烯醇和乙酸丁酸纤维素中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系，其特征在于：所述微生物孢子选自巴氏芽孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和硝化细菌中的一种或多种，所述底物为肌苷、酵母粉、羟丙基甲基纤维素、微晶纤维素、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙或乙酸钙中的一种或几种。
5.一种如权利要求1或2所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系中的微生物自愈合胶囊的制备方法，其特征在于制备方法如下：
（1）根据细菌孢子的种类选取底物，每150g水中含2.5-3.5g细菌孢子干粉，使其在水中分散均匀，然后将底物加入到分散均匀的混合液中，按照细菌孢子与底物的质量比为1：100-120混合，搅拌均匀使其成团；
（2）将上述团状混合物加入到多功能造粒机中挤出，造粒机网孔板目数为30-45目，同时打开冷却系统，保持物料温度为2-5℃，将挤出的条形物加入到滚圆机中滚圆，最后再经过35-40目筛分，在2-5℃下烘干即可得到粒径单一的微粒；
（3）按照微粒：壁材的质量比为1:0.6-1.4的比例称取壁材；
（4）采用真空浸渍法或界面聚合法制备微生物自愈合胶囊。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿堵漏风微生物自愈合胶囊的制备方法，其特征在于:步骤（1）中，当细菌孢子为巴氏芽孢八叠球菌、巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌时底物为：肌苷、酵母粉、羟丙基甲基纤维素、微晶纤维素和硝酸钙中的一种或几种，当细菌孢子为硝化细菌时底物为：酵母粉、硝酸钙、乳酸钙、甲酸钙或乙酸钙中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自愈合胶囊的制备方法，其特征在于:步骤（4）中采用真空浸渍法制备时，壁材为多孔轻质骨料、海藻酸钠、硅凝胶、黏土颗粒、硅藻土、陶粒中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自愈合胶囊的制备方法，其特征在于:步骤（4）中采用界面聚合法制备时，壁材为环氧树脂、三聚氰胺-甲醛树脂，脲醛树脂、聚氨酯、聚乙烯醇和乙酸丁酸纤维素中的至少一种。
9.一种如权利要求1或2或6或7或8所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系的构建方法，其特征在于：将微生物自愈合胶囊与巷道锚固喷浆主体材料混合使用，微生物自愈合胶囊占锚固喷浆主体材料的5-8wt%。
10.如权利要求9所述的煤矿巷道锚固喷浆微生物自修复体系的构建方法，其特征在于：巷道锚固喷浆主体材料为水泥类材料、粉煤灰泡沫材料、高分子喷涂材料中的至少一种。
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